借助“直接成像”，系外行星也能“眼见为实”

出品：科普中国

作者：董志川（中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所）

监制：中国科普博览

在日常生活中，我们更倾向于相信能直接看到的、更加直观的事物。其实不仅是生活，科学研究也是一样。科家们渴望实现研究结果的“眼见为实”，这并不仅仅是一种对科学真相的追求，也具有实际的应用意义，同时还是为了实现宏大科学目标的迫切需要。

例如，天文学有时候就需要“眼见为实”。

2008年，科学家用“直接成像法”拍摄到一个系外行星系——HR8799行星系。经过12年的持续观测，近日，美国西北大学天体物理学家Jason Wang发布了一段延时视频，清晰地展示了HR8799行星系中4颗行星是如何围绕恒星运行的。

HR8799行星系中4颗行星围绕恒星运行视频

（图片来源：科学网）

这只是“直接成像法”的应用场景之一。天文学家在未来相当长一段时间内的重要目标之一，就是紧盯系外行星，对其进行直接成像。

系外行星直接成像难在哪儿？

对科学家们来说，系外行星直接成像探测在技术上非常具有挑战性。因为行星光非常弱，而恒星光非常强，所以通常情况下，行星光会被淹没在恒星强光之下，难以被直接探测到。直接探测系外行星的难度，就像是在探照灯旁寻找微弱的萤火虫。

因此，要直接“看到”行星的信号，需要借助一种特别的方法——高对比度成像星冕仪技术。星冕仪可以通过各种调制技术来抑制恒星强光，在最终像面特定区域内获得高对比度成像，使得暗弱的行星能够成像。

“直接成像、眼见为实”的迫切追求

为什么我们总有执念，迫切地想“直接成像、眼见为实”呢？这是因为，有的时候，如果没法直接成像的话，可能还真解决不了更为本质的难题。

在很多电影中，一些镜头可能会让人产生疑问。

在电影《侏罗纪公园》中，明明足够高科技的战机，一到需要击落翼龙的时候，好像就瞄不准了。电影《哥斯拉》中，红外导弹无法锁定冷血的爬行动物哥斯拉巨兽，以至于频频脱靶。

翼龙

图片来源：https://www.earth.com/

这些出现在科幻电影里的高科技战机，按理说应该具备最顶尖的瞄准系统，为什么总是打不准人眼可以轻易瞄准的恐龙或者巨兽呢？

这是因为飞机和导弹被设计出来的初衷，根本不是要瞄准翼龙或哥斯拉。在雷达眼中，它只关注存在于目标身上的金属反射面。而在红外探测制导的导弹眼中，或许它的目标仅仅是热源而已。

红外热成像

（图片来源：veer）

人类明明用眼睛直接就能看到这些大型生物，为什么像雷达和热成像等精密的武器识别技术反而不管用了？难道没有以目视制导或以图像识别为制导方式的导弹吗？

其实目前也有基于目视或电视制导的导弹，但多数用途是打击装甲车、坦克等慢速目标，或攻击地面上的固定目标。而且，如果仅靠人眼来攻击飞行目标，“攻击窗口”的范围也实在有限。我们追求的“眼见为实”，并不仅仅局限于我们目之所及的范围，而是把目光不能到达的地方，也用直观的形象展示在我们面前。

“导弹打翼龙”的困难给我们带来的启示是：“直接成像、眼见为实”，仍然是非常可靠的目标识别手段和特征考察的办法。

间接感知——系外行星目前的探测手段

天文学的研究也是一样，我们现在对于行星的探测，较为成熟的手段有掩星法、视向速度法、天体测量法、重力微透镜法与直接成像等。除少数之外，这些办法都是对目标间接的感知与探测。

间接的感知与探测，仍然可以用电影中的场景来说明。呈现在战斗机的雷达屏幕上的翼龙，并不是翼龙本身，而只是翼龙的雷达反射波信号或红外热源图，这些只是对翼龙身体的“附属效应”的探测，是一种间接探测感知手段。目前我们成功发现的系外行星，大部分都是利用这些间接效应。

人类第一次发现系外行星是在1992年，波兰科学家使用了“脉冲星计时法”。采用这种方法，科学家发现了环绕一颗名叫PSR B1257+12脉冲星的两颗行星。虽然这是人类的首次突破，但脉冲星并不是严格意义上的类似太阳的恒星。

PSR B1257+12脉冲星艺术图

（图片来源：wiki）

人类发现的真正意义上的第一颗系外行星应该是在1995年，科学家以视向速度法所发现的飞马座51b。发现者米歇尔·迈耶尔与他的学生迪迪埃·奎洛兹因此获得2019年诺贝尔奖。

采用掩星法暂时是发现系外行星最多的办法，多于70%的系外行星是通过这种办法被发现。

而天体测量法虽然是最早用于搜索系外行星的办法，但截至2018年，只有一颗于2010年发现的HD 176051b，是迄今为止唯一的一颗确认由天体测量法发现的系外行星。

但是我们的研究绝不仅局限于此，我们总想“眼见为实”，这样才能更好地感知我们研究的对象，进而研究它。这并不是一种执念，而是进一步科学分析的需要。

直接成像——天文学家更想“眼见为实”

如果人类能成功把一颗系外行星直接成像，亲眼看见它，那么我们就能更好地分析它的外形、元素组成，以及获得其光度、温度、大气、轨道等最直接与最丰富的信息，甚至直接考察它的地形地貌(虽然实现这个目标是相当困难)。

如果能做到这一点，无疑相当于对遥远的陌生系外行星拍摄了一张清晰无比的高像素的“证件照”，实现了“建档立卡”。如此一来，这样能够更便于科学家们进一步判断遥远的系外行星有无生命的讯息。

开头提到的物理学家Jason Wang就努力用这种直观的方法向人们展示了行星的运动轨迹。他曾说到，“天文事件要么发生得太快，要么太慢，无法通过视频展现。但这段‘肉眼清晰可见’的视频则直观地显示了在人类时间尺度上移动的行星，我希望它能让人们享受到美妙的东西。”

高对比度成像星冕仪实验平台助力“眼见为实”

幸运的是，在直接成像的道路上，中国的研究人员们已经取得了一些成果。中国科学院南京天光所系外行星探测技术实验室，建立了一套通用的高对比度成像星冕仪实验平台。

为进一步提高系统的成像对比度，研究人员们开展了基于“核心功能器件”散斑噪声消除技术以及波前重构算法方面的研究工作。初步目标是将该系统成像对比度提升一个(到两个)数量级，对年轻巨行星进行直接成像；长远目标仍是努力使系统成像对比度实现对类地行星的直接成像。

大家更为熟悉的詹姆斯·韦布望远镜，因为在太空中没有大气的干扰，能更好地完成直接成像这一使命。而且，目前韦布望远镜已经小试牛刀，展示了它具有对系外行星直接成像的能力。我们中国科学家也开始借鉴同样的思路，把该系统移植到太空中，“搬”到现在正在建设中的、并日臻完善的空间站上，以期实现无大气湍流干扰的高对比度条件下的“安静”成像。

韦布望远镜

（图片来源：维基百科）

相信未来，科研人员们能够达成更高的成像对比度，并能将这套系统进行更广泛的应用，甚至是帮助人类寻找宜居的第二家园。

编辑：郭雅欣